非共沸工质有机朗肯循环特性及蒸发过程传热传质研究

发布时间：2017-10-17 18:23

  本文关键词：非共沸工质有机朗肯循环特性及蒸发过程传热传质研究

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【摘要】：有机朗肯循环由于其具有结构简单、维护方便等优点,近些年在中低温能源利用领域被广泛研究。由于大部分热源都是变温热源,同时,非共沸工质具有温度滑移和组份迁移的特性,因此,相比于纯工质有机朗肯循环,非共沸工质有机朗肯循环具有显著的优势和特性。一方面,太阳能、余热等热源本身具有热源温度不稳定的特性;另一方面,冷却流体的温度会发生季节性变化。因此,对于一个非共沸工质有机朗肯循环大部分情形是在偏离设计工况下运行的。同时,非共沸工质在热力学循环中还具有组份迁移的特性,变化的冷热源工况条件必然会对非共沸工质有机朗肯循环的循环组份产生影响。在变化的冷热源工况条件下,非共沸工质有机朗肯循环特性及蒸发过程传热传质特性是本文主要的研究内容。针对有限热容的变温热源与冷源,首先通过热力学推导,得到了以Jacob数(蒸发显热与蒸发潜热之比)和REC(热力学平均蒸发温度与冷凝温度之比)为主,预测非共沸工质有机朗肯循环系统性能(热效率、净输出功和可用能效率)的理论公式。在此基础上,讨论了热源进口温度、冷却水进口温度、冷却水温升等冷热源温度条件对非共沸工质有机朗肯循环最佳组份的影响规律。结果发现,随着热源进口温度的升高,存在一个热源进口温度,使得纯工质的系统性能比非共沸工质的要高。当冷却水温升小于工质的温度滑移时,二者相等时存在输出功的局部最大值;当冷却水温升大于工质的温度滑移时,温度滑移最大时存在输出功的最大值。自主建立了水平管非共沸工质流动沸腾换热实验台,对异丁烷、戊烷及其混合物展开蒸发压力、质量流速、进口干度对换热性能影响的实验研究,同时比较了它们的换热性能,并对不同的换热关联式进行了评估。结果发现,在相同的工况下,当干度低于0.2时,正戊烷的换热系数高于异丁烷。而干度高于0.2时,异丁烷的换热性能要远高于正戊烷。对于纯工质来说,Liu and Winterton关联式和Gunger and Winterton关联式能够很好地预测其换热系数;对于非共沸工质来说,Jung关联式能够很好地预测其换热系数。基于前面的换热关联式,通过非共沸有机朗肯循环各个部件模型的建立,考虑了两相区的相积存情况,以异丁烷和戊烷作为研究对象,考察了组份迁移对非共沸有机朗肯循环的影响。明确了相变换热器内沿程组份随干度变化的情况,同时讨论了充灌量和充灌组份对非共沸工质有机朗肯循环的循环组份及系统性能的影响规律。结果发现,组份迁移对非共沸有机朗肯循环系统的系统性能具有显著影响,会导致实际的膨胀机输出功有所降低,泵耗功有所升高,净输出功减少,热效率降低。对前面的实验台进行了一定的改造,以异丁烷和戊烷作为研究对象,开展关键系统参数(热源进口温度、热源水流量、工质流量、冷却水温度,蒸发器换热器长度)对系统组份迁移影响的实验研究。同时通过实验验证循环浓度对充灌量和充灌组份的依赖性。结果发现,低沸点循环组份随着热源进口温度、热水流量和换热器长度的增加而增加,随着冷却水温度的升高而减小。对于工质流量,当蒸发器出口处于两相区时,低沸点循环组份随着工质流量的升高而降低;当蒸发器出口处于过热状态时,低沸点循环组份随着工质流量的升高而升高。通过实验验证了循环组份随着充灌量变化的反比例关系,循环组份随着充灌组份变化的线性关系。鉴于当地组份迁移对系统组份迁移预测的重要性,展开蒸发过程组份迁移的模拟。基于非平衡薄膜模型,通过建立质量、能量和组份的守恒方程,得到了非平衡条件下的沿程组份,并与平衡条件进行了对比。同时讨论了热力学参数(蒸发压力、热流密度、进口组份和质量流速)的影响。结果发现,在非平衡条件下,沿程低沸点组份要高于平衡条件下的沿程低沸点组份。质量流速的增加会降低气相中传热和传质阻力;热流密度的增加会增加气相中传热和传质阻力;不同进口组份下,浓度差随着干度的变化率趋势不同;蒸发压力的增加会小幅减少气相的传热传质阻力,但是总体上对其影响不大。最后,在前面研究的启发下,提出了新型自复叠朗肯循环,分别应用于太阳能利用和余热回收方面,并分别进行了热力学分析(热力学第一定律和热力学第二定律),与单级有机朗肯循环和Kalina循环进行了比较,证明了该循环的先进性。同时展开了系统参数敏感性分析。结果发现,采用异戊烷/R245fa作为工质时,自复叠朗肯循环的效率要优于单级朗肯循环。对于太阳能自复叠朗肯循环来说,一级太阳能出口温度的影响最大。在其他系统参数固定时,存在一个主回路中的R245fa质量分数对应的系统不可逆性最小。分离温度对余热自复叠朗肯循环系统的影响比过热温度更大。在固定的分离温度和过热温度下,随着蒸发压力的升高,系统不可逆性降低,输出功增加。
【关键词】：非共沸工质 组份迁移 有机朗肯循环 自复叠朗肯循环 流动沸腾换热
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-41
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 有机朗肯循环工质选择研究进展14-30
• 1.2.1 工质的分类15-17
• 1.2.2 工质热物理性质的影响17-21
• 1.2.3 纯工质的选择21-27
• 1.2.4 混合工质的选择27-30
• 1.3 非共沸工质的研究现状30-39
• 1.3.1 温度滑移匹配的研究31-33
• 1.3.2 组份迁移的研究33-35
• 1.3.3 相变传热的研究35-39
• 1.4 本文的研究内容39-41
• 第二章 非共沸工质有机朗肯循环的热力学分析41-56
• 2.1 系统描述41-42
• 2.2 工质选择42-43
• 2.3 热力学模型43-48
• 2.4 模型验证48-49
• 2.5 结果与讨论49-54
• 2.5.1 热力学模型与理论值比较49-50
• 2.5.2 最佳蒸发温度的确定50
• 2.5.3 热源进口温度对最佳输出功的影响50-52
• 2.5.4 温度滑移的影响52
• 2.5.5 冷却水进口温度的影响52-53
• 2.5.6 冷却水温升的影响53-54
• 2.6 本章小结54-56
• 第三章 非共沸工质水平圆管内流动沸腾实验研究56-74
• 3.1 实验台整体介绍57-58
• 3.2 实验系统主要部件介绍58-61
• 3.2.1 预热器和冷凝器58
• 3.2.2 测试段58-59
• 3.2.3 恒温水箱59
• 3.2.4 工质泵59-60
• 3.2.5 储液罐60-61
• 3.3 主要的测量仪器61-62
• 3.3.1 温度与压力的测量61
• 3.3.2 质量流量的测量61
• 3.3.3 浓度的测量61-62
• 3.4 实验的准备及操作步骤62
• 3.5 实验数据处理62-64
• 3.6 误差分析64-66
• 3.7 结果与讨论66-73
• 3.7.1 进口干度的影响66-67
• 3.7.2 蒸发压力的影响67-68
• 3.7.3 质量流速的影响68-69
• 3.7.4 不同工质间换热性能的比较69
• 3.7.5 换热预测模型的评估69-73
• 3.8 本章小结73-74
• 第四章 组份迁移对非共沸工质有机朗肯循环的影响74-87
• 4.1 设计工况74-75
• 4.2 考虑组份迁移时非共沸工质有机朗肯循环的模拟75-80
• 4.2.1 蒸发器模型75-77
• 4.2.2 冷凝器模型77-78
• 4.2.3 膨胀机模型78-79
• 4.2.4 工质泵模型79
• 4.2.5 循环组份的计算79-80
• 4.3 模型的验证80
• 4.4 组份的影响80-86
• 4.4.1 循环组份及其对系统性能的影响80-81
• 4.4.2 相变过程中工质的沿程组份变化情况81-83
• 4.4.3 充灌量对循环组份的影响83-85
• 4.4.4 充灌组份对循环组份的影响85-86
• 4.5 本章小结86-87
• 第五章 关键系统参数对组份迁移影响的实验研究87-106
• 5.1 实验目的87
• 5.2 实验台的改进87-88
• 5.3 组份的测量方法及验证88-90
• 5.4 实验结果与讨论90-105
• 5.4.1 热源进口温度的影响91-94
• 5.4.2 热水流量的影响94-96
• 5.4.3 工质流量的影响96-98
• 5.4.4 冷却水温度的影响98-100
• 5.4.5 蒸发器长度的影响100-102
• 5.4.6 充灌量的影响102-103
• 5.4.7 充灌组份的影响103-104
• 5.4.8 不同工质组元的影响104-105
• 5.5 本章小结105-106
• 第六章 非共沸工质蒸发过程组份迁移特性理论分析106-122
• 6.1 非共沸工质蒸发过程非平衡模型109-114
• 6.1.1 模型的假设109
• 6.1.2 界面传质过程109-110
• 6.1.3 界面传热过程110-112
• 6.1.4 气液相守恒方程112-113
• 6.1.5 传热传质系数的计算113
• 6.1.6 模型的求解过程113-114
• 6.2 平衡与非平衡条件下的比较114-116
• 6.3 热力学参数的影响116-121
• 6.3.1 质量流速的影响116-118
• 6.3.2 热力密度的影响118-119
• 6.3.3 进口浓度的影响119-120
• 6.3.4 蒸发压力的影响120-121
• 6.4 本章小结121-122
• 第七章 新型自复叠朗肯循环的提出及理论分析122-143
• 7.1 自复叠朗肯循环的介绍122-125
• 7.1.1 太阳能自复叠朗肯循环122-124
• 7.1.2 余热自复叠朗肯循环124-125
• 7.2 热力学分析125-128
• 7.2.1 太阳能自复叠朗肯循环的热力学第一定律分析125-126
• 7.2.2 余热自复叠朗肯循环的热力学第二定律分析126-128
• 7.3 工质选择128-129
• 7.4 计算假设及方法129-132
• 7.5 系统参数敏感性分析132-141
• 7.5.1 R245fa质量分数对太阳能自复叠朗肯循环的影响132-133
• 7.5.2 一级太阳能集热器出口温度对太阳能自复叠朗肯循环的影响133-134
• 7.5.3 一级膨胀机进口温度对太阳能自复叠朗肯循环的影响134-135
• 7.5.4 二级膨胀机进口温度对太阳能自复叠朗肯循环的影响135-136
• 7.5.5 R245fa质量分数对余热自复叠朗肯循环的影响136-138
• 7.5.6 蒸发压力对余热自复叠朗肯循环的影响138-139
• 7.5.7 分离温度和过热温度对自复叠朗肯循环的影响139-140
• 7.5.8 与太阳能有机朗肯循环的比较140-141
• 7.5.9 与地热有机朗肯循环和Kalina循环的比较141
• 7.6 本章小结141-143
• 第八章 全文的结论、创新点与展望143-146
• 8.1 结论143-144
• 8.2 创新点144-145
• 8.3 展望145-146
• 参考文献146-158
• 发表论文和参加科研情况说明158-160
• 致谢160-161

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本文编号：1050348